[发明专利]一种纳米结构三维分布的超双疏金属表面及其制备方法

说明书

一种纳米结构三维分布的超双疏金属表面及其制备方法，属于功能材料技术领域。该超双疏表面是在金属基材上分布有三维微米阵列结构，阵列表面分布有柔性、纤薄纳米绸带状单元互相缠绕形成的纳米草状结构。所述方法首先利用超快激光图案化烧蚀金属基材表面形成三维微米结构，然后通过化学浴氧化在三维微米结构表面形成纳米草状结构，再用全氟癸基三甲氧基硅烷进行表面改性处理，实现超疏水超疏油功能。该超双疏表面具有优异的耐久性，其制备方法简单易行、快速高效、可大面积制备，能在室外等多种外界环境下长时间保持自清洁性能，在国防、工业生产、日常生活等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种具备良好耐久性的超双疏(同时超疏水与超疏油)表面及其制备方法，具体涉及一种纳米结构三维分布的耐久性超双疏金属表面及其激光、化学复合制备方法，属于功能材料技术领域。

背景技术

具有特殊浸润性的表面因其有趣的现象和广泛的应用前景而一直以来备受关注。在这些特殊浸润性表面中，超疏水表面是最为经典的领域，已经被研究数十年。目前，超疏水表面背后的机理已经得到了较为成熟的研究和阐明，即低自由能的表面成分和微纳复合的表面结构是实现超疏水性以及自清洁功能的两个关键因素。最近，另一种特殊浸润性表面，即超双疏表面吸引了研究者的广泛关注。超双疏表面能同时实现对水和油的超疏性能，即接触角大于150°同时滚动角小于10°。超双疏表面在国防、工业生产、日常生活的各个领域均有着更加广泛的应用前景，如抗油涂层、自清洁、油水分离、油滴操作、抗腐蚀等，因此近年来有关人工超疏水表面的制备吸引了科研和工业领域越来越多的关注。

由于油的表面张力远小于水，因此超双疏表面的实现难度较超疏水表面提高很多，仅靠低自由能的表面成分和常规微纳复合表面结构无法实现良好的超疏油性能。研究发现，制备超双疏表面需要引入具有凹角特征的结构，因为在凹角结构中，沿着固液接触线的表面张力所引起的压力方向向上，从而能够起到平衡向下的拉普拉斯压力和油滴重力的作用；再配合微纳米复合结构和低自由能成分，将在油滴和微纳米结构之间形成空气层，从而达到Cassie状态，实现油滴在结构表面自由滚动的特性，即自清洁功能。因此，具有凹角特征的结构对实现超双疏性能具有关键作用。

目前已发表的具有凹角特征的超双疏表面中，其凹角结构的设计主要分为以下两种思路：第一种设计思路是制备出具有凹角特征的规则微米结构，包括悬臂微米结构、蘑菇状微米结构、倒梯形微米结构等。这些结构提供微米尺度的凹角特征，能够实现优良的超双疏性能，如专利CN104768868A、专利CN102180016A、专利CN105220185A、专利CN105274490A、专利CN103030104A等。例如专利CN105220185A提出一种超双疏微柱阵列表面织构的制备方法，包括光刻、电铸、二次电铸等7个步骤，得到的规则微柱阵列结构在进行低表面能修饰后具备良好的超双疏性能。这类思路虽然能实现优异的超双疏性能，但大多需要采用光刻、干法刻蚀等方法进行多步操作，技术难度大、制备效率低且制备成本高，难以批量制备并在实际生活和生产中大规模应用。第二种设计思路是在平基底或较浅微米结构基底上生长具有凹角特征的纳米结构，包括纳米线结构、纳米纤维结构、纳米棒结构、纳米片结构、纳米网状结构及其他纳米多孔结构，如专利CN104372527A、专利CN102677141A、专利CN105820605A、专利CN107237128A和专利CN101545106等。专利CN101545106提出一种一步浸泡法制备金属超双疏表面的方法，将金属基底在全氟脂肪酸溶液中浸泡得到纳米片结构，配合全氟脂肪酸盐的低自由能，实现良好的超双疏性。这类思路通常采用化学方法生长纳米结构，制备过程相对简单，但所生长出的纳米结构为随机生长，仅有部分纳米结构具有凹角特征，因此所产生的凹角结构往往不够丰富，导致其超双疏性能弱于具有凹角特征的微米结构。此外，在实际应用中，超双疏表面不可避免地将会受到诸多外界环境刺激，如机械破坏、紫外线辐照、化学反应、细菌污染等等。在这些外界环境刺激的作用下，常规超双疏表面的结构或成分会遭到损坏，不再具有自清洁功能，从而失去应用价值。因此，如何制备高耐久性的超双疏表面是目前超双疏研究领域亟待解决的问题，也是超双疏表面从实验室走向实际应用的一大瓶颈。然而，目前已报道的超双疏表面还未很好地解决耐久性这一难题。